センサー搭載ヘリコプターが水危機打破に貢献

数週間にわたるほぼ絶え間ない雨と洪水の後、カリフォルニア州はようやく乾き始めた。しかし、 乾燥しすぎないことを願うばかりだ。なぜなら、歴史的な干ばつから抜け出すには、州はできる限りの雨を必要としているからだ。これは、カリフォルニア州が最も激しく矛盾した状態にある時だ。気候変動によって、干ばつと暴風雨が激化し、州の水道システムは深刻な水不足と運河が氾濫する大洪水の間を行き来している。 

カリフォルニアの人々の足元には、この両極端を同時に解決できる場所があります。それは帯水層です。帯水層は、砂利や砂といった多孔質の岩石や堆積物の地下層で構成されており、上部の土壌に浸透した雨水で満たされています。この水は自然に地表に湧き出て泉となる場合もあれば、井戸を掘って利用することもできます。現代では、強力なポンプで数百フィートの深さから水を汲み上げています。

カリフォルニア州セントラルバレーには、こうした帯水層が豊富に存在し、約46兆ガロン（約1兆5千億リットル）の水を貯水することが可能です。これは州全体の貯水池の総量の3倍に相当します。しかし、この地域では長年にわたり帯水層が過剰に利用されてきました。2万平方マイル（約3万平方キロメートル）の農業が盛んなこの渓谷では、全米の果物、ナッツ、その他の食用食品の40%が生産されています（カリフォルニア州では、農業が水使用量の80%を占めています）。極端なケースでは、この帯水層によって土地が崩壊し、カリフォルニア州の一部の地域では標高が数十フィート（約1.6メートル）も低下しています。 

カリフォルニアの帯水層を研究するカリフォルニア大学デービス校の水文地質学者、グラハム・フォッグ氏は、それが劇的な不均衡を招いていると指摘する。「世界中の文明は、地下水を事実上制御不能なほど吸い上げることに長けていたが、その水を地中に戻すことは非常に苦手だった」とフォッグ氏は語る。「銀行口座の不適切な管理に似ている。引き出しは得意になるが、預金は何十年も放置されるのだ」 

さらに悪いことに、カリフォルニア州は水不足に陥り、今や返済期限を迎えている。州の屋外貯水池システムは、雨季に水を貯め、地中海性気候のような乾燥した夏に水を分配する設計となっている。しかし、干ばつ時には、貯水池の水位が危機的なレベルまで低下する。12月下旬から1月上旬にかけて発生した最近の大気河川の事例とよく似ている。さらに、気温上昇が続くと、より多くの水が蒸発してしまうのだ。

しかし、フォッグ氏とその同僚たちは、州の水予算を均衡させる計画を立てている。ヘリコプターから吊り下げ、ATVで牽引する巨大なセンサーを使って、帯水層の涵養を戦略的に特定の地域に狙いを定めるのだ。必要なのは、適切な地質条件を備えた場所を見つけることだけだ。 

フォッグ氏と彼のチームは、古代の谷と呼ばれる古代の特徴を探しています。

興味深いことに、セントラルバレーの地下水路は 地上を流れる水によって形成されました。谷の東端に接するシエラネバダ山脈は、かつて氷河に覆われていました。氷河が溶けると、そこからできた川が水路を切り開き、様々な堆積物を噴き出し、層状に堆積しました。これらは古代の谷と呼ばれ、幅は最大1マイル、深さは最大30メートルにも及びます。これらの谷は、地下に水を導くのに非常に優れています。

砂や砂利は粗い粒子で、水はそこを速く流れます。しかし、古代の川がセントラルバレーに広大な氾濫原を作ったとき、粘土のような細かい粒子が水から沈殿し、透水性の低い堆積層が形成され、水は百万倍も遅く流れます。（砂利や砂の上に水を注ぐと、粘土の上に水を注ぐと水が溜まるのと比べて、どれほど早く消えるか考えてみてください。）古代の谷では、これらの粗い堆積層の上にはおそらく数フィートの土が積もっているだけなので、水は容易に帯水層に流れ込みます。つまり、この部分に水を補給したいのです。しかし、セントラルバレーの他の場所では、帯水層は透水性の低い堆積粘土層で覆われている可能性があり、そのような地域は水源としてはあまり期待できません。

帯水層を涵養する方法の一つは、雨水を汲み上げ、そこに溜まって徐々に土壌に浸透させる盆地（スプレッディング・グラウンドとも呼ばれる）を建設することです。「セントラル・バレーの主要な粘土層の上にこのような盆地を建設すれば、地中に水は供給されますが、古代の谷の上に施設を建設した場合ほどの効果はないでしょう」とフォッグ氏は言います。その水の多くは地表に溜まって蒸発してしまうか、さらに悪いことに、洪水を引き起こしてしまうでしょう。洪水こそが、私たちが実際に 軽減しようとしているものなのです。

フォッグ氏をはじめとする科学者たちの使命は、砂利と砂を見つけることです。そして、そのために彼らは電磁気学の力を借りています。この記事の冒頭の写真は、電磁場を発生させるループをヘリコプターに吊り下げている様子を示しています。このループが地面に電流を流し、戻ってきた信号をループが再び受信します。（他の研究者も同じ手法を用いて、イエローストーン国立公園の地下配管の地図を作成しています。）

砂や砂利などの粗い堆積物は粘土などの細かい堆積物とは異なる電気伝導性を持つため、そのデータは深さ1,000フィート（約300メートル）より深いところまで地球の組成を明らかにする。科学者たちは、掘削井戸から採取したサンプルなどによって堆積層の内容が既に正確に分かっている地域を上空から飛行することで、これらの測定値を正確に（文字通り）地上検証することができる。さらに詳細な画像を得るために、彼らはATVの後ろに小型の電磁気計測器を牽引する。

堆積物データを取得する従来の方法（多数の穴を掘る）と比べると、これは手術前に全身スキャンを行うようなものです。「医療用画像診断の登場により、人間の健康に対するアプローチは大きく変わりました。もはや『探索的手術』という言葉は聞かれなくなりました」と、これらの技術の開拓に尽力するスタンフォード大学の地質物理学者、ローズマリー・ナイトは言います。「地質物理学では、まず画像診断を行い、その後、より詳細な情報が必要な場所に戦略的に井戸を掘ります。シエラネバダ山脈の端から主要河川の河口まで歩き、地質学者にサンプルを観察させるのは、時間的にも費用的にも効率的ではありません。」

ヘリコプターに搭載され、ATVで牽引される電磁計測機器を用いて、科学者や水管理者は、かつてないほど詳細かつ大規模な帯水層データを取得しています。上の画像は、ナイト氏、フォッグ氏らが先月発表した研究論文からの抜粋です。シエラネバダ山脈の麓、バイセリア市周辺をヘリコプターで巡航した様子です。左側の暖色系の赤と黄色の塊は、「切込み谷充填堆積物」、いわゆる「古谷」の砂と砂利を示しています。右側の寒色系の青は粘土質が多いことを示しています。緑は粘土質が多く、砂と砂利の小さな層があることを示しています。 

ナイト氏のような科学者たちは、農家（上の写真）と協力して、地下に水を浸透させる最適な場所を特定しています。このような果樹園では、水が溜まって木々を枯らさないように、地下を素早く流れる場所を見つけることが非常に重要です。休耕中の畑全体に水を張り、水を地下に浸透させ、生育期に再び地上に引き上げるという方法もあります。 

「10年前、私がこのアイデアを持ち出すと人々はただ不思議そうに見るだけだったが、今ではセントラルバレー全域で、農家が水道局に電話をかけ、どうしたら参加できるか尋ねているという声が聞こえる」と、地下水涵養を研究するカリフォルニア大学デービス校の水文学者ヘレン・ダールケ氏は言う。 

トゥーレア灌漑地区ゼネラルマネージャーのアーロン・フクダ氏は、ナイト氏とフォッグ氏の電磁気技術を、これまでに6件のプロジェクトの計画に活用してきた。（フクダ氏は最近のヘリコプターによる調査は利用していないが、トゥーレアは彼らが調査した地域からそれほど遠くない。）「おかげで、足元にある科学全体をより深く理解することができました」とフクダ氏は語る。「プロジェクトの配置や水供給について、数百万ドル規模の意思決定を迫られているのですから。」

カリフォルニア州もこの動きに加わっています。3億5000万ドルの助成金を地域の地下水プロジェクトに提供し、年間1600億ガロン以上の涵養拡大を目指しています。州はこれまでにヘリコプターを契約し、14,000マイル（約24,000キロメートル）の横断調査を実施しています。「ヘリコプターを飛ばしてデータを取得したら、すぐに公開します」と、カリフォルニア州水資源局持続可能地下水管理事務所の主任地質工学者、スティーブン・スプリングホーン氏は述べています。「これはまさに、地域における地下水持続可能性計画の策定を支援するためのものです。」 

同州では、この新たなデータに基づいて独自の水文学モデルも開発中であり、これにより水管理者は、例えば、ある一定の量の水を一定の地域に散布することで、どの程度の水の涵養が期待できるかなどについて、より正確な見当をつけることができるようになる。

しかし、広範囲にわたる帯水層涵養のハードルは、所有権の問題です。ある水道局は、拡張地盤に最適な土地を幸運にも所有しているかもしれませんが、帯水層は複数の土地の地下に何マイルも広がることがあります。適切な地質がたまたま私有地にあった場合、水道局は所有者に涵養を強制することはできません。 

そして、これらの費用を負担することに同意した土地所有者は、他人が排水した水の代金を支払うことになりかねない。「帯水層は土地の境界線に従わない」と、カリフォルニア大学バークレー校ウィーラー水研究所所長のマイケル・キパルスキー氏は言う。「帯水層は共有資源です。ですから、土地所有者である私が自分の土地にあるプロジェクトに水を注入すれば、その水は共有帯水層に流れ込み、隣人も私と同じようにその水にアクセスできるのです。」

土地所有者が、より広範囲にわたる帯水層涵養に同意するには、より多くのインセンティブが必要です。第一に、拡張型地盤を造成するのは安価ではなく、そうなると水没した土地を他の収益源として利用できなくなります。そこでキパルスキー氏は、「涵養ネットメータリング」プログラムを実験的に導入しました。これは、地中に涵養した水の量に応じて地主に還流金を支払うものです（これは、電力会社が住宅所有者の屋上ソーラーパネルで発電した余剰電力に対して支払う仕組みと同じです）。また、このプログラムは、例えば貯水池を建設する費用も相殺します。「これは新たな領域だと思います」とキパルスキー氏は言います。